1

ماهی‌های مرکب از آن جانورانی هستند که در یک چشم بر هم زدن می‌توانند از شفاف مطلق به طیف درخشان و رنگارنگی از رنگ‌ها تغییر کنند. این توانایی مدت‌ها ذهن زیست‌شناسان را به خود مشغول کرده بود که چگونه این موجودات می‌توانند چنین نمایشی از نور و رنگ را ارائه دهند. حال، گروهی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا ایرواین همراه با متخصصان سفالوپود (سرپایان) در آزمایشگاه زیست‌دریایی وودز هول مستقیماً به سراغ این معما رفته‌اند.

کشف یک ساختار نانومتری در پوست ماهی مرکب

جنگل مخفی ستون‌های نانو در دل پوست

با بررسی پوست ماهی مرکب در ابعاد سه‌بعدی، محققان موفق به کشف ساختاری از ستون‌های نانومتری شدند که از نوعی پروتئین کمیاب به نام رفلکتین (Reflectin) ساخته شده است.

ستون‌هایی همانند آینه

این ستون‌ها مانند آینه‌های بسیار ریز عمل می‌کنند. آن‌ها بسته به فاصله‌ی میان یکدیگر، نور را یا بازتاب می‌دهند یا عبور می‌دهند.

به گفته دکتر آلون گورودتسکی، متخصص مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی در UC Irvine و نویسنده ارشد این پژوهش:

«در طبیعت، بسیاری از جانوران برای تولید رنگ‌های ساختاری از بازتابنده‌های براگ (Bragg reflectors) استفاده می‌کنند. قابلیت شگفت‌انگیز ماهی مرکب در تغییر سریع و معکوس‌پذیر از شفاف به رنگی، خارق‌العاده است.»

توزیع شاخص شکست سینوسی درون سلول‌ها

محققان دریافتند سلول‌هایی که درون خود ساختارهای ستونی با توزیع سینوسی شاخص شکست نور دارند، این امکان را به ماهی مرکب می‌دهند که این تغییرات را به‌راحتی اعمال کند.

بررسی استاد دگرگون‌شدن دریا

معرفی گونه مورد مطالعه

ماهی‌های مرکب مورد مطالعه از گونه Doryteuthis pealeii هستند؛ یک گونه بومی اقیانوس اطلس. به گفته گورودتسکی:

«آزمایشگاه زیست‌دریایی وودز هول بیش از یک قرن است که این گونه و سایر سفالوپودها را مطالعه می‌کند. ما خوش‌شانس بودیم که توانستیم از دانش و تجربه برجسته آن‌ها در جمع‌آوری، نگهداری و مطالعه نمونه‌های زیستی بهره ببریم.»

شناسایی راز در سلول‌های درخشان

راز اصلی درون سلول‌های درخشان پوست ماهی مرکب، موسوم به ایریدوفور (Iridophore) یا ایریدوسیت (Iridocyte) نهفته است.

روش تصویربرداری بدون تخریب ساختار

برای مشاهده این سلول‌ها بدون آسیب زدن به ساختار حساس‌شان، تیم تحقیقاتی از فناوری هولوتوموگرافی بهره برد. این روش نوعی میکروسکوپی نوری پیشرفته است که نحوه خم شدن نور درون نمونه را نقشه‌برداری می‌کند.

مستندسازی تغییر رنگ

ثبت تغییر رنگ در شرایط تحریک شیمیایی و عصبی

تصاویر دیجیتالی تهیه‌شده از کل بدن و بخش پشتی پوست ماهی مرکب، طیف‌های رنگی آبی، سبز، زرد، نارنجی و قرمز را نشان می‌دهد که بسته به زاویه دید تغییر می‌کنند.

همچنین یک لکه مجزا از پوست در شرایط تحریک شیمیایی و عصبی، در بازه‌های زمانی ۰، ۶۰، ۹۰ و ۱۲۰ ثانیه، از شفاف به قرمز، سپس نارنجی و در نهایت سبز تغییر می‌کند.

جزئیات ساختار نانومتری

مارپیچ‌های رفلکتین درون ایریدوفورها

به گفته دکتر جورجی بوگدانوف، پژوهشگر پسادکتری در رشته مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی:

«هولوتوموگرافی، به‌کمک ضریب شکست بالای پروتئین‌های رفلکتین، موفق به آشکارسازی توزیع سینوسی ضریب شکست در سلول‌های ایریدوفور شد.»

رفلکتین درون این سلول‌ها، ورقه‌هایی مارپیچ‌مانند تشکیل می‌دهد که ماهی مرکب به‌وسیله آن‌ها می‌تواند میزان بازتاب و عبور نور را به‌دلخواه تنظیم کند.

الگوبرداری از طبیعت

از پوست ماهی مرکب تا مواد هوشمند

پس از درک معماری این ساختار — بازتابنده‌های مارپیچ و پشته‌ای براگ — دانشمندان تصمیم گرفتند نمونه مصنوعی آن را بسازند.

ساخت فیلم‌های نازک تغییرپذیر

با ترکیب شیمی پلیمر، نانوساخت و روکش‌های فلزی، آن‌ها موفق به تولید فیلم‌های نازک رنگ‌پذیر شدند که با کشیده‌شدن، فشرده‌شدن یا گرم‌شدن، رنگ خود را تغییر می‌دهند.

تنظیم تابش در طیف مادون‌قرمز

علاوه‌بر کنترل رنگ مرئی، این فیلم‌ها قابلیت تنظیم تابش در طیف مادون‌قرمز را نیز دارند. این ویژگی امکان پنهان‌کردن یا نمایش امضای حرارتی در کنار رنگ‌های مرئی را فراهم می‌کند.

کاربردهای آینده فناوری پوست ماهی مرکب

دکتر الکساندرا استرزلکا، دانشجوی دکتری و یکی از نویسندگان:

«این مواد زیست‌الهام، فراتر از کنترل رنگ ایستا هستند. آن‌ها می‌توانند در پاسخ به محرک‌ها، هم ظاهر در طیف مرئی و هم در مادون‌قرمز را به‌طور هم‌زمان تنظیم کنند.»

تولید در مقیاس وسیع

به گفته او:

«آنچه این فناوری را هیجان‌انگیز می‌کند، قابلیت ذاتی آن در تولید انبوه است. ما نمونه‌هایی با سطح وسیع و در قالب آرایه‌های منظم تولید کرده‌ایم که حتی از قابلیت‌های طبیعی ماهی مرکب نیز فراتر می‌رود.»

موارد استفاده

کاربردهای این فناوری می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• استتارهای تطبیقی
• پارچه‌های واکنش‌پذیر
• نمایشگرهای چندطیفی
• حسگرهای پیشرفته

آینده اپتیک با الهام از ماهی مرکب

استفاده در صنایع پیشرفته

کاربرد این ساختارها می‌تواند در صنایع مختلف انقلابی ایجاد کند:

• افزایش بهره‌وری سلول‌های خورشیدی
• بهبود خروجی لیزر
• فیلتر کردن سیگنال در فیبرهای نوری
• مانیتورینگ سلامت سازه‌های عمرانی و هواپیماها

دکتر گورودتسکی:

«این پژوهش، نمونه‌ای جذاب از قدرت ترکیب تحقیقات بنیادی و کاربردی است. ما تازه سطح قابلیت‌های مواد اپتیکی قابل تنظیم الهام‌گرفته از سفالوپودها را در آزمایشگاه لمس کرده‌ایم.»

از دریا به آزمایشگاه و زندگی روزمره

تمام این پیشرفت‌ها از ساختارهای کوچک اما شگفت‌انگیز درون سلول‌های پوست ماهی مرکب آغاز شد؛ ستون‌هایی با قطری در حد صدها نانومتر، که قادر به تولید نمایشی از نور در فواصل چندمتری هستند.

از میکروسکوپ تا لباس و گوشی

این فناوری اکنون در قالب پارچه‌هایی ظاهر می‌شود که می‌تواند روزها در بیابان، سربازان را خنک نگه دارد، یا ساختمان‌ها را در برابر گرمای شدید مقاوم کند. همچنین نمایشگرهای انعطاف‌پذیری در دست توسعه است که همزمان تصویر و داده‌های حرارتی را نمایش می‌دهند.

چشم‌انداز آینده

به باور تیم تحقیقاتی، گام بعدی:

• افزایش سرعت واکنش فیلم‌ها
• ساخت نسخه‌های قابل‌تجزیه زیستی برای کاربردهای پزشکی و حسگرها

سفالوپودها باز هم دلیل جذابیت‌شان را ثابت کردند: استادان دستکاری نور، بدون ذره‌ای رنگدانه یا باتری!